JP2019173854A - 円錐ころ軸受 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態に係る円錐ころ軸受の断面模式図である。図2は、図1に示した円錐ころ軸受の部分断面模式図である。図3は、実施の形態に係る円錐ころ軸受の保持器を示す斜視模式図である。図4は図3に示した保持器の部分拡大模式図である。図5は、図4の線分V−Vにおける断面模式図である。図6〜図9は、図3に示した保持器の第1〜第4の変形例を示す模式図である。図10は、本発明の実施の形態に係る円錐ころ軸受の第1の変形例を示す部分断面模式図である。図11は、図10に示した円錐ころ軸受の保持器を示す斜視模式図である。図12および図13は、図11に示した保持器の第1および第2の変形例を示す模式図である。図14は、実施の形態に係る円錐ころ軸受の第2の変形例を示す部分断面模式図である。図15は、図14に示した円錐ころ軸受の保持器を示す斜視模式図である。図16は、図14に示した円錐ころ軸受の保持器を示す斜視模式図である。図17および図18は、図15に示した保持器の第1および第2の変形例を示す斜視模式図である。図19は、図1〜図18に示した円錐ころ軸受の設計仕様を示す断面模式図である。図20は、本発明の実施の形態に係る円錐ころ軸受においてころの基準曲率半径を説明するための断面模式図である。図21は、図20に示される領域XXIを示す部分断面模式図である。図22は、本発明の実施の形態に係る円錐ころ軸受においてころの実曲率半径を説明するための断面模式図である。図23は、本発明の実施の形態に係る円錐ころ軸受の円錐ころの大端面を示す平面模式図である。図1〜図23を用いて本実施の形態に係る円錐ころ軸受を説明する。
窒素富化層11B、12B、13Bの厚さは0.2mm以上であってもよい。具体的には、外輪11の表面層の最表面としての外輪軌道面11Aから窒素富化層11Bの底部までの距離は0.2mm以上であってもよい。ころ12の表面層の最表面の一部としての転動面12Aから窒素富化層12Bの底部までの距離は0.2mm以上であってもよい。ころ12の表面層の最表面の一部としての大端面16または小端面17から窒素富化層12Bの底部までの距離は0.2mm以上であってもよい。内輪13の表面層の最表面の一部としての内輪軌道面13Aから窒素富化層13Bの底部までの距離は0.2mm以上であってもよい。内輪13の表面その最表面の一部としての大鍔面18から窒素富化層13Bの底部までの距離は0.2mm以上であってもよい。
図19に示すように、円錐ころ12と、外輪11および内輪13の各軌道面11A、13Aの各円錐角頂点は、円錐ころ軸受10の中心線上の一点Oで一致する。円錐ころ12の大端面16の曲率半径(設定曲率半径とも呼ぶ)Rと、点Oから内輪13の大鍔面18までの距離RBASEとの比率R/RBASEは、距離RBASEの値に応じて決定される。具体的には、本実施の形態において、距離RBASEが100mm以下のとき、設定曲率半径Rと距離RBASEの比率R/RBASEの値を0.70以上0.9以下とする。また、本実施の形態の第1の変形例として、距離RBASEが100mmを越え200mm以下のとき、比率R/RBASEの値を0.75以上0.85以下としてもよい。また、本実施の形態の第2の変形例として、距離RBASEが200mmを越え300mm以下のとき、比率R/RBASEの値を0.77以上0.83以下としてもよい。
円錐ころ12の大端面16の研削加工後の実曲率半径をRprocessとしたとき、実曲率半径Rprocessと設定曲率半径Rとの比率Rprocess/Rは0.5以上とされる。以下、具体的に説明する。
大端面16の算術平均粗さ(表面粗さ)Raは0.10μmRa以下であってもよい。以下、図23を参照しながら説明する。図23は、円錐ころ12の大端面16を示す平面模式図である。図23に示すように、大端面16は面取り部16Cと凸部16Aと凹部16Bとを含む。大端面16では最外周に面取り部16Cが配置される。面取り部16Cの内周側に環状の凸部16Aが配置される。凸部16Aの内周側に凹部16Bが配置される。凸部16Aは凹部16Bより突出した面である。面取り部16Cは凸部16Aと円錐ころ12の側面である転動面とを繋ぐように形成されている。上述した大端面16の算術平均粗さRaは、実質的には凸部16Aの表面粗さを意味する。また、円錐ころ12の大端面16において、大鍔面18と接触する円周状の表面領域である凸部16Aの算術平均粗さRaの最大値と最小値との差は0.02μm以下であってもよい。
窒素富化層11B、12B、13Bにおける旧オーステナイト結晶粒径はJIS規格の粒度番号が10以上である。ここで、図24は、本実施の形態に係る円錐ころ軸受を構成する軸受部品のミクロ組織、特に旧オーステナイト結晶粒界を図解した模式図である。図25は、従来の焼入れ加工された軸受部品の旧オーステナイト結晶粒界を図解した模式図である。図24は、窒素富化層12Bにおけるミクロ組織を示している。本実施の形態における窒素富化層12Bにおける旧オーステナイト結晶粒径はJIS規格の粒度番号が10以上となっており、図25に示される従来の一般的な焼入れ加工品の旧オーステナイト結晶粒径と比べても十分に微細化されている。
図26に示すように、円錐ころ12の転動軸の延在方向における転動面12Aの幅をL、内輪軌道面13Aと転動面12Aとの当たり位置の中心Cの、延在方向における転動面12Aの中点Nから大端面16側へのずれ量をαとしたとき、円錐ころ軸受10では、幅Lとずれ量αとの比率α/Lが0%以上20%未満であってもよい。
図28に示すように、ころ12の転動面12A(図2参照)は、両端部に位置し、クラウニングが形成されたクラウニング部22、24と、このクラウニング部22、24の間を繋ぐ中央部23とを含む。中央部23にはクラウニングは形成されておらず、ころ12の回転軸である中心線26に沿った方向での断面における中央部23の形状は直線状である。ころ12の小端面17とクラウニング部22との間には面取り部21が形成されている。ころ12の大端面16とクラウニング部24との間にも面取り部16Cが形成されている。
ころ12における窒素富化層12Bの深さ、すなわち窒素富化層12Bの最表面から窒素富化層12Bの底部までの距離は、上述のように0.2mm以上となっている。具体的には、面取り部21とクラウニング部22との境界点である第1測定点31、小端面17から距離Wが1.5mmの位置である第2測定点32、ころ12の転動面12Aの中央である第3測定点33において、それぞれの位置での窒素富化層12Bの深さT1、T2、T3が0.2mm以上となっている。ここで、上記窒素富化層12Bの深さとは、ころ12の中心線26に直交するとともに外周側に向かう径方向における窒素富化層12Bの厚さを意味する。なお、窒素富化層12Bの深さT1、T2、T3の値は、面取り部21、16Cの形状やサイズ、さらに窒素富化層12Bを形成する処理および上記仕上げ加工の条件などのプロセス条件に応じて適宜変更可能である。たとえば、図29に示した構成例では、上述のように窒素富化層12Bが形成された後にクラウニング22Aが形成されるため、窒素富化層12Bの深さT2は他の深さT1、T3より小さくなっているが、上述したプロセス条件を変更することで、上記窒素富化層12Bの深さT1、T2、T3の値の大小関係は適宜変更することができる。
ころ12のクラウニング部22、24に含まれる(中央部23に連なり内輪軌道面13Aに接触する部分である)接触部クラウニング部分27に形成されたクラウニングの形状は、以下のように規定される。すなわち、クラウニングのドロップ量の和は、ころ12の転動面12Aの母線をy軸とし、母線直交方向をz軸とするy−z座標系において、K1,K2,zmを設計パラメータ、Qを荷重、Lをころ12における転動面12Aの有効接触部の母線方向長さ、E’を等価弾性係数、aをころ12の転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、A=2K1Q/πLE’としたときに、下記の式(1)で表される。
次に、内輪軌道面13Aの母線方向の形状を図32〜図34に基づいて説明する。図32は内輪13の詳細形状を示す部分断面模式図である。図33は、図32の領域XXXIIIの拡大模式図である。図34は、図32に示した内輪軌道面13Aの母線方向の形状を示す模式図である。図32および図33では、円錐ころ12の大端面16側の一部輪郭を2点鎖線で示す。
窒素濃度の測定方法:
外輪11、ころ12、内輪13などの軸受部品について、それぞれ窒素富化層11B,12B、13Bが形成された領域の表面に垂直な断面について、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)により深さ方向で線分析を行う。測定は、各軸受部品を測定位置から表面に垂直な方向に切断することで切断面を露出させ、当該切断面において測定を行う。たとえば、ころ12については、図28に示した第1測定点31〜第3測定点33のそれぞれの位置から、中心線26と垂直な方向にころ12を切断することで切断面を露出させる。当該切断面において、ころ12の表面から内部に向かって0.05mmの位置となる複数の測定位置にて、上記EPMAにより窒素濃度について分析を行う。たとえば、上記測定位置を5か所決定し、当該5か所での測定データの平均値をころ12の窒素濃度とする。
外輪11および内輪13については、上記窒素濃度の測定方法において測定対象とした断面につき、表面から深さ方向において硬度分布を測定する。測定装置としてはビッカース硬さ測定機を用いることができる。加熱温度500℃×加熱時間1hの焼き戻し処理後の円錐ころ軸受10において、深さ方向に並ぶ複数の測定点、たとえば0.5mm間隔に配置された測定点において硬度測定を実施する。そして、ビッカース硬さがHV450以上の領域を窒素富化層とする。
旧オーステナイト結晶粒径の測定方法は、JIS規格G0551:2013に規定された方法を用いる。測定を行う断面は、窒素富化層の底部までの距離の測定方法において測定を行った断面とする。
ころ12のクラウニング形状について、任意の方法により測定できる。たとえば、ころ12の形状を表面性状測定機により測定することにより、クラウニング形状を測定してもよい。
図22に示したころ12の大端面16における実曲率半径Rprocessおよび仮想曲率半径Rvirtualは、研削加工により実際に形成された円錐ころに対して任意の方法により測定され得るが、例えば表面粗さ測定機(例えばミツトヨ製表面粗さ測定機サーフテストSV‐3100)を用いて測定され得る。表面粗さ測定機を用いた場合には、まず転動軸を中心とする径方向に沿って測定軸を設定し、大端面の表面形状(母線方向の形状)を測定する。得られた大端面プロファイルに、上記頂点C1〜C4および中間点P5およびP6をプロットする。上記実曲率半径Rprocessは、プロットされた頂点C1、中間点P5および頂点C2を通る円弧の曲率半径として算出される。上記仮想曲率半径Rvirtualは、プロットされた頂点C1、中間点P5,P6および頂点C4を通る円弧の曲率半径として算出される。あるいは、大端面16全体の仮想曲率半径Rvirtualは、「複数回入力」というコマンドを用いて4点を取った値で近似円弧曲線半径を算出することで決定してもよい。大端面16の母線方向の形状は、直径方向に1回の測定とした。
ころ12の大端面16の算術平均粗さRaは任意の方法により測定できるが、たとえば表面粗さ測定機(例えばミツトヨ製表面粗さ測定機サーフテストSV‐3100)を用いて測定され得る。大端面の算術平均粗さRaは、たとえば、ころ12の大端面16に上記測定機のスタイラスを接触させる方法により測定できる。また、大端面16において、大鍔面と接触する円周状の表面領域である凸部16Aの算術平均粗さRaの最大値と最小値との差は、当該凸部16Aの任意の4か所について表面粗さ測定機を用いて算術平均粗さRaを測定し、当該4か所の表面粗さの最大値と最小値との差を算出することにより求めることができる。
本発明者は、円錐ころ軸受に関する以下の事項に着目し、上述した円錐ころ軸受の構成に想到した。
(1)円錐ころの大端面の設定曲率半径と加工後の実曲率半径との比率
(2)円錐ころのスキューを抑制する内外輪の軌道面の形状
(3)円錐ころの転動面への対数クラウニングの適用
(4)円錐ころ、内輪および外輪への窒素富化層の適用
(5)内輪大鍔面への保油穴を利用した潤滑油の供給
以下一部重複する部分もあるが、上述した円錐ころ軸受の特徴的な構成を列挙する。
(1)内輪の大つば面と円錐ころの大端面との間の潤滑状態は、大つば面は円錐面のため直線状で一定であるので、円錐ころの大端面の曲率半径(実曲率半径RACTUAL)と潤滑油の使用温度により決まることに着目した。
(2)また、トランスミッションやデファレンシャルの用途では、使用される潤滑油は基本的に決まっているため、その潤滑油の粘度も決まってくることに着目した。
(3)そして、潤滑油使用温度のピーク時の最大条件として、120℃で3分(180秒)間継続する極めて厳しい温度条件を想定した。この温度条件は、ピーク時の最大条件であり、おおよそ3分を経過すれば、定常状態に戻るという意味を有し、この温度条件を本明細書において「想定ピーク温度条件」という。この「想定ピーク温度条件」に潤滑油の粘度特性を加味した潤滑状態において急昇温を生じない実曲率半径RACTUALと設定曲率半径Rとの比を設定するための閾値が求められることを見出した。
「つば部潤滑係数」=120℃粘度×(油膜厚さh)2/180秒
ここで、油膜厚さhは、Karnaの以下の式から求められる。
<試験条件>
・負荷荷重:ラジアル荷重4000N、アキシャル荷重7000N
・回転数:7000min−1
・潤滑油:SAE 75W−90
・供試軸受:円錐ころ軸受(内径φ35mm、外径φ74mm、幅18mm)
実曲率半径RACTUALと設定曲率半径Rとの比の各値に対して、大端面と大つば面との接触面圧、油膜厚さ、スキュー角、油膜パラメータ、「つば部潤滑係数」の結果を表6に示す。表6は接触面圧、油膜厚さ、スキュー角、油膜パラメータのそれぞれを比で表しているが、基準となる分母は、実曲率半径RACTUALが設定曲率半径Rと同一寸法に加工できた場合の値とし、各符号に0を付加している。
<試験条件>
・負荷荷重:ラジアル荷重4000N、アキシャル荷重7000N
・回転速度:7000min−1
・潤滑油:タービン油ISO VG32
・供試軸受:円錐ころ軸受(内径φ35mm、外径φ74mm、幅18mm)
実曲率半径RACTUALと設定曲率半径Rとの比の各値に対して、大端面と大つば面との接触面圧、油膜厚さ、スキュー角、油膜パラメータ、「つば部潤滑係数」の結果を表9に示す。表9は接触面圧、油膜厚さ、スキュー角、油膜パラメータのそれぞれを比で表しているが、基準となる分母は、実曲率半径RACTUALが設定曲率半径Rと同一寸法に加工できた場合の値とし、各符号に0を付加している。
図39は、図1に示した円錐ころ軸受の製造方法を説明するためのフローチャートである。図40は、図39の熱処理工程における熱処理パターンを示す模式図である。図41は、図40に示した熱処理パターンの変形例を示す模式図である。以下、円錐ころ軸受10の製造方法を説明する。
次に、本実施の形態に係る円錐ころ軸受の用途の一例について説明する。本実施形態に係る円錐ころ軸受は、デファレンシャル又はトランスミッション等の自動車の動力伝達装置に組み込まれると好適である。すなわち、本実施形態に係る円錐ころ軸受は、自動車用円錐ころ軸受として用いると好適である。図42は、上述した円錐ころ軸受10を使用した自動車のデファレンシャルを示す。このデファレンシャルは、プロペラシャフト(図示省略)に連結され、デファレンシャルケース121に挿通されたドライブピニオン122が、差動歯車ケース123に取り付けられたリングギヤ124と噛み合わされ、差動歯車ケース123の内部に取り付けられたピニオンギヤ125が、差動歯車ケース123に左右から挿通されるドライブシャフト(図示省略)に連結されるサイドギヤ126と噛み合わされて、エンジンの駆動力がプロペラシャフトから左右のドライブシャフトに伝達されるようになっている。このデファレンシャルでは、動力伝達軸であるドライブピニオン122と差動歯車ケース123が、それぞれ一対の円錐ころ軸受10a、10bで支持されている。
Claims (10)
- 内周面において外輪軌道面を有する外輪と、
外周面において内輪軌道面と、前記内輪軌道面よりも大径側に配置された大鍔面とを有し、前記外輪の内側に配置された内輪と、
前記外輪軌道面および前記内輪軌道面と接触する転動面と前記大鍔面と接触する大端面とを有し、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に配列される複数の円錐ころと、
周方向に所定の間隔で配置されている複数のポケットを含み、前記複数の円錐ころの各々を前記複数のポケットの各々に収容保持している保持器とを備え、
前記保持器は、前記複数の円錐ころの小径側で連なる小環状部と、前記複数の円錐ころの大径側で連なる大環状部と、前記小環状部と前記大環状部とを連結する複数の柱部とを含み、前記小環状部と前記大環状部と前記複数の柱部とは前記複数のポケットを区画し、
前記大環状部には、前記ポケットに面し、潤滑油を保持する保油穴が形成され、
前記外輪、前記内輪および前記複数の円錐ころのうちの少なくともいずれか1つは、前記外輪軌道面、前記内輪軌道面または前記転動面の表面層に形成された窒素富化層を含み、
前記円錐ころの前記大端面の設定曲率半径をR、前記円錐ころの円錐角の頂点から前記内輪の前記大鍔面までの距離をRBASEとしたとき、
前記設定曲率半径Rと前記距離RBASEの比率R/RBASEの値を0.75以上0.87以下とし、
前記円錐ころの前記大端面の研削加工後の実曲率半径をRprocessとしたとき、前記実曲率半径Rprocessと前記設定曲率半径Rとの比率Rprocess/Rが0.5以上である、円錐ころ軸受。 - 前記保油穴は前記大環状部の内部に位置する底部を含む、請求項1に記載の円錐ころ軸受。
- 前記大環状部は、前記ポケットに面するポケット側表面部分と、前記ポケット側表面部分に連なり前記内輪に面する内輪側表面部分とを含み、
前記保油穴は、前記ポケット側表面部分から前記内輪側表面部分にまで延在するように形成されている開口部を含む、請求項1に記載の円錐ころ軸受。 - 前記複数の柱部には、前記ポケットに面する側面に油溝が形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記複数の柱部と前記小環状部との接続部には切欠き部が形成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記保持器の前記小環状部の内周側端面と前記内輪との間の距離は、前記内輪において前記小環状部の前記内周側端面と対向する部分の外周直径の1.0%以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記保持器の前記小環状部において前記内輪と対向する表面には、複数の突起部が形成されている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記窒素富化層における旧オーステナイト結晶粒径はJIS規格の粒度番号が10以上である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記内輪の中心軸を通る断面において、前記内輪軌道面および前記外輪軌道面は直線状または円弧状であり、
前記円錐ころの前記転動面にはクラウニングが形成され、
前記クラウニングのドロップ量の和は、前記円錐ころの前記転動面の母線をy軸とし、母線直交方向をz軸とするy−z座標系において、K1,K2,zmを設計パラメータ、Qを荷重、Lを前記円錐ころにおける前記転動面の有効接触部の母線方向長さ、E’を等価弾性係数、aを前記円錐ころの前記転動面の前記母線上にとった原点から前記有効接触部の端部までの長さ、A=2K1Q/πLE’としたときに、式(1)で表される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記円錐ころの前記大端面の算術平均粗さRaが0.10μmRa以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
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